2.4 Modelo de Sistemas Basicos

Modelos matemáticos

Para estudiar el comportamiento de los sistemas se utilizan modelos matemáticos, que se representan por ecuaciones, las cuales describen las relaciones entre la entrada y salida de un sistema, y que también se aprovechan para predecir el comportamiento de un sistema en condiciones especificas.
 Las bases de estos modelos se obtienen de leyes físicas fundamentales que rigen el comportamiento de un sistema. 

Elementos básicos de sistemas mecánicos

Los elementos básicos que se utilizan para representar sistemas mecánicos son los resortes, amortiguadores y masas. Los resortes representan la rigidez del sistema; los amortiguadores, las fuerzas que se oponen al movimiento, es decir, los efectos de fricción, y las masas, la inercia o resistencia de la aceleración.

La rigidez de un resorte se describe por la relación entra la fuerza (f), que se usa para extender o comprimir dicho resorte y la extensión o compresión (x) resultante. Un resorte lineal se describe como: 

F=kx

El elemento básico amortiguador representa el tipo de fuerzas que se originan cuando se intenta empujar un objeto a través de un fluido, o al desplazar un objeto en contra de fuerzas de fricción. El amortiguador se representa por un pistón que se mueve en un cilindro cerrado. Para que el pistón se mueva es necesario que el fluido de uno de los lados del pistón fluya a través, o hacia delante, de este. Esto produce una fuerza resistiva. En el caso ideal, la fuerza de amortiguamiento o resistiva (f) es proporcional a la de amortiguamiento o resistiva. En el caso ideal, la fuerza de amortiguamiento o resistiva (f) es proporcional a la velocidad (v) con la que se mueve el pistón, es decir: 

F=cv          

El elemento básico masa tiene la propiedad de que cuanto mayor sea la masa, mayor será la fuerza necesaria para acelerarla. La relación entre la fuerza (f) y la aceleración (a) es F=ma (segunda ley de Newton), donde la constante de proporcionalidad entre la fuerza y la aceleración es la constante denominada masa (m). Tenemos que:

Elementos básicos de sistemas eléctricos

Los elementos básicos de los sistemas eléctricos son los inductores, capacitores y resistencias. En un inductor la diferencia de potencial (v) presente en todo momento depende de la razón de cambio de la corriente (di/dt) que pasa por él.

En un capacitador, la diferencia de potencial depende de la carga (q), de las placas del capacitor en determinado momento.
En una resistencia, la diferencia de potencial (v), en un instante dado dependerá de la corriente (i), que circule por ella.. 
La potencia (P) que disipa una resistencia cuando tiene una diferencia de potencial.                       

Elementos básicos en sistemas fluidos

En los sistemas de fluidos hay tres elementos básicos que se pueden considerar los equivalentes de la resistencia eléctrica, la capacitancia y la inductancia. Se puede considerar que los sistemas de fluidos pertenecen a dos categorías: hidráulicos, donde el fluido es un liquido no compresible; y neumáticos los cuales contienen gases compresible que, por lo tanto, experimentan cambios de densidad.

La resistencia hidráulica es la que se presenta un liquido cuando fluye a través de una valvula o debido a los cambios en el diámetro de la tubería. La relación entre el gasto volumétrico de un liquido (q), que pasa por un elemento de resistencia, y la diferencia de presión resultante, (p₁ – p₂) es:                                     

p₁ – p₂ = Ra

donde (R) es una constante denominada resistencia hidráulica.
Capacitancia hidráulica es el termino que describe la energía almacenada en un liquido cuando éste se almacena en forma de energía potencial, es decir, lo que se conoce como carga de agua.                                 

q₁ – q₂ = dV/dt

La inercia hidráulica es el equivalente de la inductancia en un sistema eléctrico o de un resorte en los sistemas mecánicos. Por acelerar un fluido y así aumentar su velocidad, se requiere una fuerza. Considere un bloque de masa liquida (m). La fuerza neta que actúa sobre el liquido es:            

F₁ – F₂ = p₁A – p₂A = (p₁ – p₂) A

Después de una serie de conversiones llegamos a la ecuación final:                         

I = Lp/A

 

2.3 Sistemas de Actuación (Mecánico-Eléctrico-Neumático-Hidráulico)

Se denominan actuadores a aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado.

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y de gas.

Existen varios tipos de actuadores: 

• Los hidráulicos 
• Los eléctricos 
• los mecánicos 
• los neumático 

El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. 

Actuadores Eléctricos

Se le da el nombre de actuadores eléctricos cuando se usa la energía eléctrica para que se ejecuten sus movimientos, Funcionamiento.

El proceso bajo control, la acción que se tiene que llevar a cabo y la velocidad con que ésta deba realizarse, son factores que influyen en la clase de actuador que se ha de utilizar.

Los dispositivos eléctricos ofrecen una mayor exactitud y repetitividad, necesitan de un menor espacio de piso y, como consecuencia, son muy adecuados para el trabajo preciso, como el ensamblaje.Por lo general, los robots se pueden accionar con un acondicionamiento eléctrico, por medio de los motores paso a paso o de los servomotores. Una salida de un motor paso a paso consiste en incrementos de movimiento angular discreto iniciado por una serie de pulsos eléctricos discretos.

Características

Motores de corriente continúa

• Estator (imanes) y rotor.
• Interacción entre campo magnético y eléctrico provoca movimiento.
• Velocidad giro proporcional a V.
• Compra: a más corriente más par.
• Eficientes para girar con poca fuerza y gran velocidad.

Servo motores

• Capaces de colocarse en una posición.

El actuador representa la interfaz entre el sistema de control de proceso y la válvula.

Los comandos de control transmitidos de forma binaria, analógica o a través de bus de campo deben ser analizados por el actuador para así posicionar la válvula; a la inversa, el sistema de control de proceso espera una respuesta del actuador. 

Ésta puede producirse en forma de mera respuesta de estado a través de las señales binarias de salida.

Actuadores Mecánicos

Son dispositivos que transforman el movimiento rotativo a la entrada, en un movimiento lineal en la salida. Los actuadores mecánicos aplicables para los campos donde se requiera movimientos lineales tales como: elevación, traslación y posicionamiento lineal.

Tipos de actuadores Mecánicos

• Actuadores hidráulicos | Los actuadores hidráulicos son los que han de utilizar un fluido a presión, generalmente un tipo de aceite, para que el robot pueda movilizar sus mecanismos. Los actuadores hidráulicos se utilizan para robots grandes, los cuales presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica. |
• Actuadores neumáticos | Solo resta hablar de aquellos robots que se valen de los actuadores neumáticos para realizar sus funciones. En los actuadores neumáticos se comprime el aire abastecido por un compresor, el cual viaja a través de mangueras. Los robots pequeños están diseñados para funcionar por medio de actuadores neumáticos. |

Entre las características más importantes que podemos encontrar en los distintos tipos de actuadores mecánicos son:

• Neumáticos | * Compresores y depósitos de aire * Sistemas de preparación del aire comprimido * Actuadores neumáticos * Válvulas neumáticas * Otros elementos y accesorios … |
• Hidráulico | * Bombas hidráulicas * Acumuladores * Actuadores hidráulicos * Válvulas hidráulicas * Otros elementos y accesorios … |

Es importante comprender el funcionamiento de los actuadores para su correcta aplicación.

El objetivo final del actuador rotatorio es generar un movimiento giratorio. El movimiento debe estar limitado a un ángulo máximo de rotación. Normalmente se habla de actuadores de cuarto de vuelta, o 90º; fracción de vuelta para ángulos diferentes a 90º.

Actuadores Neumático

Para hacer funcionar el actuador neumático, se conecta aire comprimido a uno de los lados del émbolo o veleta (en adelante, solo “émbolo”) generando una fuerza en sentido de la expansión del espacio entre el émbolo y la pared del cilindro o el cuerpo. Mediante un dispositivo mecánico que puede ser el conjunto piñón y cremallera, yugo escocés, o una simple veleta, el movimiento se transforma en rotatorio. Para mover el actuador en sentido contrario es necesario introducir aire comprimido en el lado opuesto del émbolo.

Para hacer funcionar el actuador eléctrico, se debe energizar los bornes correspondientes para que el motor actúe en la dirección apropiada. Usualmente vienen con un controlador local o botonera que hace este proceso más sencillo.
Sin embargo para la automatización remota del actuador, se debe considerar el diagrama de cableado que viene con el actuador. Las conexiones deben considerar fuerza, señales de límites de carrera y torque, señales análogas o digitales de posición y torque, etc.

Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. 

Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.

• | Actuador Neumático | Actuador Hidráulico |
• Fuerza Generadora de Movimiento | Presión de aire | Presión hidráulica |
• Elemento Motriz | Émbolo, Pistón o Veleta | Émbolo, Pistón o Veleta |
• Transmisión de Fuerza o Torque | Eje o Cremallera | Eje |
• Conversión mecánica | Yugo o Piñón | Yugo o Piñón |

Ejemplos de Actuadores:

• E l canal de panamá
• Sistema de seguimiento escola

A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad.

En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención.

• De Efecto SimpleCilindro Neumático
• Actuador Neumático De efecto Doble
• Con engranaje
• Motor Neumático Con Veleta
• Con pistón
• Con una veleta a la vez
• Multiveleta
• Motor Rotatorio Con pistón
• De ranura Vertical
• De émbolo
• Fuelles, Diafragma y músculo artificial
• Cilindro de Simple Efecto

Actuadores Hidraulicos

Son los que han de utilizar un fluido a presión, generalmente un tipo de aceite, para que el sistema donde sea utilizado pueda movilizar sus mecanismos. Se utilizan para maquinarias grandes, las cuales presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica.

Para las aplicaciones que exijan una carga útil, el dispositivo hidráulico es el sistema a elegir. Los altos índices entre potencia y carga, la mayor exactitud, la respuesta de mayor frecuencia con un desempeño más suave a bajas velocidades y el amplio rango de velocidad, son algunas de las ventajas del acondicionamiento hidráulicos sobre los actuadores neumáticos.

La presión es aplicada de la misma manera que la neumática en un émbolo que se encuentra dentro de un compartimiento hermético. Este se encuentra acoplado mecánicamente a un vástago que se mueve linealmente de acuerdo a la presión aplicada. Los cálculos para la fuerza ejercida por un cilindro hidráulico son las mismas que para los cilindros neumáticos.

Sin embargo, poseen una diferencia fundamental; el cilindro hidráulico del mismo tamaño que el neumático produce una mayor fuerza. Las principales aplicaciones la podemos encontrar en máquinas troqueladoras, en cargadores y en maquinarias pesada para obras civiles.

Para la aplicación de los actuadores hidráulicos, se necesita de una bomba que envíen al líquido también

a presión a través de una tubería o de mangueras especiales para el transporte del mismo.

Estos actuadores son de poco uso en la industria si lo comparamos con la acogida de los actuadores neumático y eléctrico; esto se debe entre otras cosas a los grandes requisitos para el espacio de piso y las condiciones de gran riesgo provenientes del escurrimiento de fluidos de alta presión.

En esta clase de actuadores también encontramos cilindros de simple o de doble efecto y en cuanto a los elementos de control y protección son muy similares a los sistemas neumáticos.

2.2 Acondicionamiento de Señales

La mayoría de las señales requieren de preparación antes de poder ser digitalizadas. Por ejemplo, una señal de un termopar es muy pequeña y necesita ser amplificada antes de pasar por el digitalizador.                            Otros sensores como RTD, Termistores, galgas extensiométricas y acelerómetros requieren de poder para operar. Aún las señales de voltaje puro pueden requerir de tecnología para bloquear señales grandes de modo común o picos. 

Todas estas tecnologías de preparación son formas de acondicionamiento de señal. Puesto que existe un amplio rango de tecnologías, el papel que desempeña y la necesidad de cada una de estas se puede volver confuso. 

Algunos de los tipos de acondicionamiento de señal más comunes.

• Aislamiento: Las señales de voltaje fuera del rango del digitalizador pueden dañar el sistema de medición y ser peligrosas para el operador. Por esta razón, normalmente es preciso tener el aislamiento y la atenuación para proteger al sistema y al usuario de voltajes de alta tensión o picos. También se puede necesitar aislamiento si el sensor está en un plano de tierra diferente al del sensor de medición (como un termopar montado en una máquina).

• Amplificación: Cuando los niveles de voltaje que va a medir son muy pequeños, la amplificación se usa para maximizar la efectividad de su digitalizador. Al amplificar la señal de entrada, la señal acondicionada usa más efectivamente el rango del convertidor analógico-digital (ADC) y mejora la precisión y resolución de la medición. Algunos sensores que típicamente requieren de amplificación son los termopares y galgas extensiométricas.

• Atenuación: Es lo opuesto a la amplificación. Es necesario cuando el voltaje que se va a digitalizar es mayor al rango de entrada del digitalizador. Esta forma de acondicionamiento de señal disminuye la amplitud de la señal de entrada, para que la señal acondicionada este dentro del rango del ADC. La atenuación es necesaria para medir voltajes altos.

• Multiplexeo o Mulplexado: Típicamente, el digitalizador es la parte más costosa del sistema de adquisición de datos. Al multiplexar, usted puede rutear secuencialmente un cierto número de señales a un solo digitalizador, logrando así un sistema de bajo costo y extendiendo el número de conteo de señales de su sistema. El multiplexeo es necesario para cualquier aplicación de alto conteo de canales.

• Filtrado: Son necesarios para remover cualquier componente de frecuencia no deseada en una señal, principalmente para prevenir aliasing y reducir la señal de ruido. Algunas mediciones de termopares generalmente requieren de filtros pasa bajos para remover el ruido de las líneas de poder. Las mediciones de vibración normalmente requieren de filtros antialiasing para remover componentes de señales más allá del rango de frecuencias del sistema de adquisición de datos. Excitación Muchos sensores, como RTD, galgas y acelerómetros, requieren de alguna fuente de poder para hacer la medición. La excitación es la tecnología de acondicionamiento de señal requerida para proveer esa fuente. Esta excitación puede ser voltaje o corriente dependiendo del tipo de sensor.

• Linealización: Algunos tipos de sensores producen señales de voltaje que no son lineales en relación con la cantidad física que están midiendo. La linearización, el proceso de interpretar la señal del sensor como una medición física, puede realizarse a través de acondicionamiento de señal o software. Los termopares son un ejemplo típico de un sensor que requiere linearización.

• Compensación de Junta Fría: Otra tecnología requerida para mediciones de termopares es la compensación de junta fría (CJC). Siempre que se conecta un termopar a un sistema de adquisición de datos, la temperatura de la conexión debe ser conocida para poder calcular la temperatura verdadera que el termopar esta midiendo. Un sensor CJC debe estar presente en el lugar de las conexiones.

• Muestreo Simultáneo: Cuando es crítico medir dos o más señales en un mismo instante, el muestreo simultáneo es indispensable. El acondicionamiento de señal apropiado al frente de su sistema es una opción de bajo costo para realizar esta operación sin tener que comprar un digitalizador para cada canal. Algunas de las aplicaciones que podrían requerir de muestreo simultáneo incluyen las mediciones de vibración y mediciones de diferencias de fase.

2.1 Sensores y Transductores

Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro.

            

Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés. 

Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad).

Cualquier sensor o transductor necesita esta calibrado para ser útil como dispositivos de medida.

La calibración es el procedimiento mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida.

Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo de la forma de la señal convertida. Los dos tipos son:

• Transductores analógicos

• Transductores digitales

Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua.

Los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas.

En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida.

Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos.

Características deseables de los transductores

•Exactitud

•Precisión

•Rango de funcionamiento

•Velocidad de respuesta

•Calibración

•Fiabilidad

•Posición lineal o angular.

•Desplazamiento o deformación.

•Velocidad lineal o angular.

•Aceleración.

•Fuerza y par.

•Presión.

•Caudal.

•Temperatura.

•Presencia o proximidad.

•Táctiles.

•Intensidad lumínica.

•Sistemas de visión artificial.

1.4 Concepto de Ciencia e Ingeniería

La ciencia es el conjunto de conocimientos sistemáticamente estructurados, susceptibles de ser articulados unos con otros. 

Surge de la obtención del conocimiento mediante la observación de patrones regulares, de razonamientos y de experimentación en ámbitos específicos, a partir de los cuales se generan preguntas, se construyen hipótesis, se deducen principios y se elaboran leyes generales y sistemas organizados por medio de un método científico.

La ciencia considera distintos hechos, que deben ser suficientemente objetivos y observables.

Posteriormente estos hechos de observación se organizan por medio de diferentes métodos y técnicas, (modelos y teorías) con el fin de generar nuevos conocimientos. Para ello hay que establecer previamente unos criterios de verdad y asegurar la corrección permanente de las observaciones y resultados, estableciendo un método de investigación. La aplicación de esos métodos y conocimientos conduce a la generación de nuevos conocimientos objetivos en forma de predicciones concretas, cuantitativas y comprobables referidas a hechos observables pasados, presentes y futuros. Con frecuencia esas predicciones pueden formularse mediante razonamientos y estructurarse como reglas o leyes generales, que dan cuenta del comportamiento de un sistema y predicen cómo actuará dicho sistema en determinadas circunstancias.

La ingeniería es el conjunto de conocimientos y técnicas científicas aplicadas a la creación, perfeccionamiento e implementación de estructuras para la resolución de problemas. 

Para ella, el estudio, conocimiento, manejo y dominio de las matemáticas, la física y otras ciencias es aplicado profesionalmente tanto para el desarrollo de tecnologías, como para el manejo eficiente de recursos y/o fuerzas de la naturaleza en beneficio de la sociedad.

La ingeniería es la actividad de transformar el conocimiento en algo práctico.

Es la aplicación de los conocimientos científicos a la invención o perfeccionamiento de nuevas técnicas. 

Se caracteriza por usar el ingenio principalmente de una manera más pragmática y ágil que el método científico, puesto que la ingeniería, como actividad, está limitada al tiempo y recursos dados por el entorno en que ella se desenvuelve.

Su estudio como campo del conocimiento está directamente relacionado con el comienzo de la revolución industrial, constituyendo una de las actividades pilares en el desarrollo de las sociedades modernas.

1.3 Perfil y Campo de Desarrollo de Ingeniero en Mecatronica

• Ejercer su profesión dentro de un marco legal, teniendo un sentido de responsabilidad social.

• Analizar, sintetizar, diseñar, simular, construir e innovar productos, procesos, equipos y sistemas mecatrónicos.

• Integrar, instalar, construir, optimizar, operar, controlar, mantener, administrar y/o automatizar sistemas mecánicos.

• Evaluar y generar proyectos Industriales y de carácter social.

• Coordinar y dirigir grupos multidisciplinarios fomentando el trabajo en equipo.

• Desarrollar capacidades de liderazgo, comunicación e interrelaciones personales para transmitir ideas.

• Ser creativo, emprendedor y comprometido con su actualización profesional continua y autónoma.

• Interpretar información técnica de las áreas que se componen la Ingeniería Mecatrónica para la transferencia, adaptación, asimilación e innovación de tecnologías de vanguardia.

REQUISITO DE INGRESO ADICIONALES: Interés por resolver problemas tecnológicos relacionados con las áreas del conocimiento de mecánica, eléctrica y de sistemas, electromecánica, automatización e ingeniería auxiliada por computadora. Capacidad para integrar las diferentes disciplinas de la ingeniería. Destreza para trabajar en equipo y sólidos valores personales y éticos.

PERSPECTIVAS DE TRABAJO Y CAMPO OCUPACIONAL: En empresas productivas, participando en el diseño de máquinas y prototipos de mecanismos, instrumentos médicos, elaboración de prótesis y productos innovadores. Tanto en industrias como empresas del área de la salud que requieran la puesta en marcha, operación y mantenimiento de maquinaria, equipo, instrumentos y procesos automatizados de manufactura.Abarca prácticamente todas las industrias en donde se aplica el control automático de procesos: la industria química, de alimentos, papel, cemento, generación de energía, petrolera, del acero, etc.

POSIBILIDADES DE ACTUALIZACIÓN Y SUPERACIÓN PROFESIONAL: Acorde a la sólida formación en Ingeniería resulta deseable que el estudiante se oriente a la investigación y aplicación del conocimiento a través de la Maestría en Ciencias. Además de las diversas formas de actualización.

ENFOQUE: Dirigida a la ciencia aplicada a la solución de problemas de carácter multidisciplinario relacionados con la integración de las ramas de la ingeniería mecánica eléctrica y de sistemas. Para lograrlo se cuenta con una plataforma de materias, tanto de ciencias de la ingeniería como de la ingeniería aplicada, y sus laboratorios que permiten la modelación, simulación y experimentación de problemas para encontrar su solución.

1.2 Panorama General de la carrera Ingeniero en Mecatronica

PANORAMA:

La carrera busca formar profesionistas competentes que dominen la integración en los sistemas mecatrónicos, con capacidad para analizar, diseñar dispositivos y resolver problemas de acuerdo a las nuevas necesidades tecnológicas, además de buscar formas innovadoras para adecuar los procesos existentes.  

La infraestructura material para pruebas, mediciones, análisis y elaboración de prototipos junto con el recurso permitirá ofrecer colaboración oportuna y eficaz a aquellos emprendedores que estén interesados en el desarrollo tecnológico. Importancia social de la carrera.

Busca fortalecer  en sus funciones de organizar, realizar y fomentar la investigación científica en sus formas básica y aplicada, teniendo en cuenta fundamentalmente las condiciones y los problemas regionales y nacionales mediante el aprovechamiento de soluciones tecnológicas innovativas.

Esta formación le permitirá: diseñar, implementar, administrar, supervisar, operar y dar mantenimiento a procesos que requieren de una mecánica de precisión y de sistemas de automatización y control por computadora

La formación en valores y su ética profesional, le permitirá que la toma de decisiones en su ámbito profesional, sea siempre pensando en lograr las mejores condiciones y oportunidades de trabajo para las personas, en condiciones dignas de salud y seguridad, cuidando siempre el entorno ecológico

El egresado de la carrera de Ingeniería en Mecatrónica, contara además con la capacidad de mantenerse actualizado respecto a los constantes avances e innovaciones tecnológicas, lo cual le permitirá especializarse en diversos campos de la ingeniería así como emprender estudios de postgrado.